飛機(jī)座椅安全帶狀態(tài)報(bào)警電路設(shè)計(jì)

朱江蘭 包穎瑩 梁 森

(華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1，上海 200237;上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院2，上海 200240)

飛機(jī)座椅安全帶狀態(tài)報(bào)警電路設(shè)計(jì)

朱江蘭1包穎瑩2梁 森2

(華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院1，上海 200237;上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院2，上海 200240)

飛機(jī)座椅安全帶能夠承受足夠的載荷以抵抗巨大的沖擊力，起到保護(hù)乘客的作用。但部分乘客容易疏忽在正常飛行中系好安全帶，而現(xiàn)今飛機(jī)上并沒有相應(yīng)的安全帶報(bào)警裝置來約束每一位乘客主動(dòng)扣緊安全帶。使用傳感器技術(shù)可以提高安全帶的使用率。介紹了飛機(jī)座椅安全帶狀態(tài)報(bào)警電路的設(shè)計(jì)，并利用電流互感器作為安全帶開路報(bào)警傳感器，計(jì)算了電流互感器的參數(shù)。同時(shí)，利用RS- 485總線實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與從機(jī)單片機(jī)的通信和集中顯示，組成報(bào)警系統(tǒng)，提高飛機(jī)乘客的安全性。

飛機(jī)座椅 安全帶 報(bào)警 傳感器 電流互感器

0 引言

航空是遠(yuǎn)程交通最安全的方式之一。但是，飛行過程中免不了由氣流、雷電等對(duì)飛機(jī)造成的臨時(shí)影響，此時(shí)乘客要依靠座位上的安全帶來固定。飛機(jī)座椅安全帶能夠承受足夠的載荷以抵抗巨大的沖擊力。如果旅客沒有系好安全帶，就會(huì)被飛機(jī)強(qiáng)大的慣性和阻力射離座位而撞傷。目前,飛機(jī)上并沒有安裝相應(yīng)的報(bào)警裝置來提醒乘客系上安全帶[1]，究其原因是因?yàn)轱w機(jī)安全帶與汽車安全帶的結(jié)構(gòu)不同。對(duì)于汽車安全帶，汽車啟動(dòng)后，當(dāng)乘客未將汽車安全帶的鎖扣插入座椅側(cè)面的鎖孔中時(shí)，鎖孔旁邊的微動(dòng)開關(guān)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。但是，飛機(jī)座椅安全帶是將鎖扣與鎖舌分別安裝于高強(qiáng)度編織帶的末端，扣緊位置處于乘客的腹部位置，較難產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)[2]。研究具有報(bào)警裝置的飛機(jī)座椅安全帶就顯得非常重要。

飛機(jī)座椅安全帶狀態(tài)報(bào)警電路主要由微弱導(dǎo)電的安全帶、電流互感器、激勵(lì)源、電壓比較器、微處理器、總線電路等組成，采用單片機(jī)C8051F340作為RS- 485總線通信的主從站。

所設(shè)計(jì)的飛機(jī)座椅安全帶狀態(tài)報(bào)警電路可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：①判斷座位有無人狀態(tài)；②判斷安全帶沒有扣緊的座位號(hào)碼；③將座位號(hào)及狀態(tài)輪流顯示于主機(jī)的LED顯示屏上；④當(dāng)某個(gè)座位有人且安全帶沒有扣緊時(shí)，點(diǎn)亮數(shù)碼管右側(cè)的報(bào)警燈。

1 報(bào)警電路總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

基于電流互感器(在本設(shè)計(jì)中作為傳感器)原理而設(shè)計(jì)的安全帶扣緊檢測(cè)回路，經(jīng)過電流互感器后續(xù)整流、放大等信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)將傳送至座椅扶手內(nèi)的單片機(jī)。

飛機(jī)的后艙設(shè)置了一個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)。下位機(jī)與上位機(jī)單片機(jī)之間采用RS- 485串行通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)尋址、定位、報(bào)警等功能。

報(bào)警電路設(shè)計(jì)涉及激勵(lì)電路的設(shè)計(jì)、電流互感技術(shù)、電壓比較器、串行通信技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等。飛機(jī)座椅安全帶狀態(tài)報(bào)警原理圖如圖1所示，安全帶狀態(tài)和重力檢測(cè)原理簡圖如圖2所示。

圖1 狀態(tài)報(bào)警原理圖Fig.1 Schematic diagram of status alarm

1.2 判斷座位狀態(tài)的設(shè)計(jì)

圖2中，重力開關(guān)K的輸出接到單片機(jī)的P0.0口。重力開關(guān)由“行程開關(guān)”改造而成。重力開關(guān)安裝在座椅的座墊內(nèi)。當(dāng)有乘客坐到座位上時(shí)，若乘客的質(zhì)量超過10 kg(幼兒質(zhì)量)，座墊下沉的行程超過設(shè)定值，就會(huì)壓到行程開關(guān)的桿杠，行程開關(guān)閉合，座位輸出狀態(tài)為邏輯0；當(dāng)座位上沒有人時(shí)，行程開關(guān)處于斷開狀態(tài)，座位輸出狀態(tài)為邏輯1。重力開關(guān)將相應(yīng)的信號(hào)傳輸給從機(jī)單片機(jī)，再傳輸給主機(jī)單片機(jī)，主機(jī)單片機(jī)根據(jù)重力開關(guān)狀態(tài)和扣緊裝置狀態(tài)，判斷是否進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。只有當(dāng)座位上有乘客且安全帶未扣緊時(shí)才進(jìn)行報(bào)警。

1.3 安全帶扣緊電路設(shè)計(jì)

判斷安全帶是否扣系好是基于電流互感器原理。電流互感器在本設(shè)計(jì)中作為傳感器使用。在圖2所示電路中，兩個(gè)扁平鐵氧體鐵心構(gòu)成的電流互感器[3]，分別安裝在安全帶靠近固定螺栓的位置，如圖2中的T1、T2所示。

下位機(jī)的P3.0口接到RC三角波輸出端，輸出頻率f=1 kHz。T1的一次側(cè)為20匝，接到P3.0口的RC三角波輸出端，輸出頻率f=1 kHz。微弱導(dǎo)電的左側(cè)安全帶穿過T1的鐵心，相當(dāng)于Ns1=1匝線圈。T1的一次側(cè)電流IP1由限流電阻R3決定，IP1≈5 V/R3=0.05 mA。

T1的匝數(shù)比、電流比可用下式表達(dá)：

i1=NP1/NS1

(1)

NP1/NS1=IS1/IP1

(2)

式中:NP1、NS1、IS1、IP1分別為一次側(cè)匝數(shù)、二次側(cè)匝數(shù)、二次側(cè)電流、一次側(cè)電流。

T1二次側(cè)電流理論值可用式(2)或式(3)計(jì)算：

IS1=I1=i1IP1

(3)

由于i1=1/20，所以T1的二次側(cè)電流I2為一次側(cè)電流的20倍，約等于1mA。

從圖2可以看到，右側(cè)安全帶在接近固定螺栓的位置穿過T2的扁平鐵氧體鐵心，構(gòu)成T2的一次側(cè)，T2的二次側(cè)為50匝。當(dāng)左右兩根安全帶扣緊時(shí)，由于i2=1/50，則T2的二次側(cè)電流理論值可用式(4)計(jì)算：

IS2=I3=i2IP1

(4)

T2的二次側(cè)的電流IS2為一次側(cè)電流的1/50，約等于0.02mA。雖然T2的二次側(cè)的電流很小，但由于電流互感器的內(nèi)阻很小，電磁干擾不容易串入檢測(cè)電路中。T2的二次側(cè)輸出電流接到橋式整流、RC濾波電路，再接到下位機(jī)的P0.1口。當(dāng)左右兩根安全帶沒有扣緊時(shí)，安全帶上沒有電流，T2的二次側(cè)也沒有輸出電流。

當(dāng)左右兩根安全帶扣緊時(shí)，安全帶通過飛機(jī)座椅背面的鋁合金架子構(gòu)成回路，則安全帶上有電流流過，T2的二次側(cè)也有輸出電流，并加以轉(zhuǎn)換。下位機(jī)根據(jù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)判斷左右安全帶已經(jīng)扣緊。

當(dāng)座位上有人且安全帶未扣緊時(shí)，下位機(jī)的P3.1口輸出1Hz脈沖信號(hào)，座椅扶手上的紅色LED1閃亮。

1.4 橋式整流、RC濾波電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的橋式整流電路采用開關(guān)二極管IN4148，如圖3所示。

當(dāng)安全帶扣緊后，T2的二次側(cè)就有電流通過，并流經(jīng)橋式整流電路的1、2、3、4端以及負(fù)載電阻R10，構(gòu)成回路。R10兩端的電壓與T2的二次側(cè)電流成正比。

R10兩端電壓接到R11、C5組成的低通濾波電路，得到脈動(dòng)較小的直流信號(hào)，再接到下位機(jī)的P0.1口。R11×C5必須大于5T1 000 Hz(即τ≥5 ms)。本設(shè)計(jì)中R11=10 kΩ，C5=1 μF，時(shí)間常數(shù)為10 ms。

雖然二極管具有0.7 V的死區(qū)電壓，但是由于本設(shè)計(jì)的橋式整流電路[4]是用于檢測(cè)輸入電流而不是輸入電壓，所以R10兩端電壓總是與一次側(cè)電流成正比。當(dāng)整流二極管未導(dǎo)通之前，T2的二次側(cè)將沒有電流。根據(jù)電流互感器的基本原理，當(dāng)T2的二次側(cè)沒有電流時(shí)，二次側(cè)的電壓就會(huì)上升(這是電流互感器二次側(cè)不允許開路的原因)，直到整流二極管導(dǎo)通、二次側(cè)的電流與一次側(cè)的電流等于匝數(shù)比為止。所以利用電流互感器能夠自動(dòng)克服二次側(cè)整流二極管死區(qū)電壓的影響。

2 RS- 485通信

RS- 485總線是一種差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范[5]，可以進(jìn)行多點(diǎn)傳輸。RS- 485的通信接口大部分是半雙工的通信方式，近年已經(jīng)發(fā)展成為一種通用的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，應(yīng)用十分廣泛。RS- 485傳輸距離可達(dá)1 km，利用專用總線集成電路，可掛接設(shè)備數(shù)量達(dá)256個(gè)以上，抑制干擾能力強(qiáng)[6]。

主從單片機(jī)采用總線方式通信(見圖1)，主機(jī)依次對(duì)每個(gè)從站進(jìn)行輪流查詢,當(dāng)查詢地址有效時(shí)，從機(jī)做出相應(yīng)的響應(yīng)。主、從機(jī)單片機(jī)采用C8051F340。該單片機(jī)是一款低功耗、高性能CMOS8位貼片式微處理器，其輸出電壓是TTL型。若要進(jìn)行RS- 485通信，就需要接一片RS-232/485轉(zhuǎn)換芯片[7]。本設(shè)計(jì)采用MAX1483轉(zhuǎn)換芯片，主機(jī)通過MAX1483將信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS- 485信號(hào)，再進(jìn)行485總線通信。在從機(jī)的串行端口經(jīng)過另一片MAX1483轉(zhuǎn)換器，將RS- 485信號(hào)轉(zhuǎn)換成RS-232信號(hào)，由從機(jī)讀取，反之亦然。

從機(jī)最多可以有255臺(tái)，可以設(shè)定從機(jī)地址依次為001，002，…，255。主機(jī)開始對(duì)第一臺(tái)從機(jī)(001)進(jìn)行訪問，第一臺(tái)從機(jī)(001)則將安全帶扣緊裝置的狀態(tài)和重力開關(guān)的狀態(tài)發(fā)送給主機(jī)。若重力開關(guān)斷開，無論安全帶是否扣緊，LED報(bào)警燈不亮，主機(jī)的數(shù)碼管不顯示相應(yīng)座位號(hào)。若重力開關(guān)閉合且安全帶裝置處于閉合狀態(tài)時(shí)，則主機(jī)數(shù)碼管也不顯示相應(yīng)座位號(hào)；若重力開關(guān)閉合且安全帶裝置處于開路狀態(tài)時(shí)，則主機(jī)數(shù)碼管顯示座位號(hào)(可以是與登機(jī)卡真實(shí)物理座位號(hào)對(duì)應(yīng)的A、B、C、D……)，且紅色指示燈閃爍。然后主機(jī)詢問的地址加1，對(duì)下一個(gè)從機(jī)進(jìn)行訪問，直到訪問到地址255后才重新從001地址開始，再依次訪問各從機(jī)單片機(jī)。

如果座位號(hào)小于255，可以預(yù)先設(shè)定循環(huán)周期的上限。如果大飛機(jī)的座位號(hào)大于255，可以利用上拉電阻來提高串行信號(hào)的幅度[8]，從而使掛接的外設(shè)提高到400個(gè)，但抗干擾能力有所減弱。

3 結(jié)束語

基于電流互感器原理的電路報(bào)警裝置設(shè)計(jì)用于檢測(cè)安全帶扣緊狀態(tài)，采用RS-232/485轉(zhuǎn)換器進(jìn)行串行通信，最多可安裝255臺(tái)從機(jī)。主機(jī)通過輪詢方式訪問從機(jī)，從機(jī)將采集的安全帶信息傳輸給主機(jī)，并將報(bào)警信息顯示在駕駛艙里，實(shí)現(xiàn)雙重保障，讓空姐也能提醒乘客。這不僅提高了飛行安全性，而且成本較低，有一定的實(shí)用價(jià)值。

另外，對(duì)于某些乘客將較重的背包放在座位上，可能引起誤報(bào)警的情況，可以考慮在座椅的座墊內(nèi)設(shè)置熱敏電阻，進(jìn)一步提高報(bào)警的正確性。

[1] 李永林,李勇.安全帶及其報(bào)警裝置:中國，102795197[P].2012-11-28.

[2] 劉沖,江振偉,周大永.一種帶有安全帶報(bào)警裝置的座椅[P].中國專利:201895647,2011.07.13.

[3] 馬敬敏.基于Multisim 10的RC橋式正弦波振蕩電路仿真分析[J].渤海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,33(4):324-328.

[4] 馬敬敏.基于RS觸發(fā)器工作狀態(tài)的Multisim仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程,2011,19(17):24-26.

[5] 馬靳鮮,魏勝利.總線技術(shù)與PC機(jī)結(jié)合的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量及控制,2013,21(7):1963-1974.

[6] 鄢濤,杜小丹,劉永紅,等.基于RS485的數(shù)據(jù)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].成都大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,2013,21(17):19-22.

[7] Qin Shihong.Design of the multi-computer communication system based on RS485[C]∥2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering(ICEICE),2011:1318-1320.

[8] 陳金華.基于HDLC協(xié)議的RS485通信設(shè)備的研制[J].測(cè)控技術(shù),2010,29(6):98-101.

Design of the Status Alarming Circuit for Airplane Seat Belts

The seat belts on airplanes can withstand sufficient loads to resist huge impact for protecting passengers. Some of the passengers may often neglect to fasten seat belts in normal flights. However, at present, corresponding seat belt warning devices have not been equipped on the airplanes to constraint every passenger to actively fasten his or her seat belt. Using sensor technology can increase the usage rate of seat belts. The design of the status alarming circuit for airplane seat belts is introduced; the current transformer is adopted as the open loop alarm sensor for the seat belt, the parameters of the current transformer are calculated. Through RS- 485 bus, the communication for host computer and slave single chip machines can be implemented to construct alarm system for centralized display; the security of passengers on the airplanes can be enhanced.

Airplane seat Seat belt Alarm Sensor Current transformer

朱江蘭(1989-)，女，現(xiàn)為華東理工大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事嵌入式的研究。

TP212+.9

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201506024

修改稿收到日期：2014-11-23。